巷道掘進(jìn)合理空頂距的確定方法

張建平

(西山煤電西銘礦一采區(qū) 山西 太原 030000)

巷道掘進(jìn)合理空頂距的確定方法

張建平

(西山煤電西銘礦一采區(qū) 山西 太原 030000)

本文運(yùn)用在大寧煤礦檢測(cè)到的一些頂板圍巖共同支護(hù)數(shù)據(jù)，以實(shí)例講解了巷道未支護(hù)的頂板不垮落條件下，如何從理論上確定合理的空頂距。分析了客觀實(shí)際操作中需要考慮的其他因素，提出了如何確定巷道掘進(jìn)合理空頂距的確定方法。

掘進(jìn)巷道；合理；空頂距；確定方法

0 引言

礦山施工作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)考慮如何確定一條巷道的合理空頂距。空頂距就是指在未支護(hù)的頂板不垮落條件下，巷道在掘進(jìn)方向的空間長(zhǎng)度為空頂距。作為煤礦施工中如何從理論上確定合理的空頂距，是必須解決的技術(shù)問(wèn)題。合理空頂距的確定，可以充分發(fā)揮掘巷機(jī)械的效率，保障施工人員的安全，進(jìn)而保證安全生產(chǎn)。本文在此做一些粗略研究與大家共議。

1 空頂距計(jì)算的力學(xué)模型

根據(jù)大寧煤礦在掘巷道的頂板組成情況，可將巷道頂板中最下面的0.5米厚頂煤不垮落作為巷道頂板天然穩(wěn)定的標(biāo)志。因此，當(dāng)巷道跨度一定時(shí)，最大空頂距取決于懸露頂煤在巷道掘進(jìn)方向上的最大可穩(wěn)定長(zhǎng)度。

從力學(xué)角度看，巷道頂板中懸空的頂煤相當(dāng)于四邊固定支承的矩形薄板。設(shè)巷道跨度為a，頂板在掘進(jìn)方向的未支護(hù)長(zhǎng)度為b，頂煤厚度為h，則空頂范圍內(nèi)頂煤的工作狀態(tài)如圖1-1所示。

圖1-1 空頂范圍內(nèi)的巷道頂板

2 薄（頂）板的穩(wěn)定條件

通過(guò)研究0.4米厚頂煤以固支板的狀態(tài)存在時(shí)的邊界應(yīng)力，可以得到它的穩(wěn)定條件，進(jìn)而獲得該板穩(wěn)定條件下的最大長(zhǎng)度。

圖2 -2 巷道懸露頂板的力學(xué)模型

研究四邊固支矩形薄板的力學(xué)模型及坐標(biāo)系如圖2-2所示。根據(jù)有關(guān)薄板的理論，在均布載荷q作用下，板內(nèi)的應(yīng)力分布為：

式中E為板的彈性模量，μ為板的泊松比，且有：

實(shí)際工作狀態(tài)下的巷道頂煤一般為雙向板，按照雙向板的力學(xué)特點(diǎn)，四邊固定支撐的板在兩個(gè)長(zhǎng)邊界承擔(dān)的載荷大于兩個(gè)短邊界承擔(dān)的載荷，且板在固支邊界中點(diǎn)截面的拉應(yīng)力及相應(yīng)彎矩最大。因此，板在兩個(gè)長(zhǎng)邊界上的破壞與否，將決定整個(gè)板的穩(wěn)定性。由（1）式可得兩個(gè)長(zhǎng)邊界上部處）的應(yīng)力分布為：

在上述應(yīng)力中，拉應(yīng)力σx對(duì)所作用邊界的斷裂起決定性作用。 取，由（2）式可以得到（0,y,-h/2）和（a,y,-h/2）邊界上x(chóng)方向的最大拉應(yīng)力σxmax為 ：

如果板材的抗拉強(qiáng)度為σt，則當(dāng)σxmax<σt時(shí)板是安全的，因此，巷道頂板穩(wěn)定的條件可以表示為：

將有關(guān)參數(shù)代入上式，最終得到：

滿足上式的最大b值就是巷道掘進(jìn)時(shí)的最大空頂距。

3 薄（頂）板上的載荷

從大寧煤礦已揭露的頂板巖層情況來(lái)看，上述0.4米堅(jiān)硬頂煤之上有1.2米左右較軟弱的煤層和0.4米比較破碎的泥巖，這三部分巖層的重量是厚為0.4米的堅(jiān)硬頂煤以板的狀態(tài)存在時(shí)承受的載荷，集度為：

4 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

3#煤的抗拉強(qiáng)度為0.82～1.7MPa，作為板來(lái)研究的0.4米厚頂煤是抗拉強(qiáng)度最高的，因此計(jì)算時(shí)取σt=1.7MPa。將σt=1.7MPa、h=0.4m、a=5.5m、π=3.14 和 q=0.312MPa 代入到（4）式，最終可以求得滿足該式的b值為b<8.8m，即理論計(jì)算得到的最大空頂距為8.8米。

需要注意的是，上述結(jié)果是在理想化條件下獲得的，且認(rèn)為巷道兩幫對(duì)頂板提供了足夠的支撐。實(shí)際上，巷道兩幫煤壁的穩(wěn)定情況是影響空頂范圍內(nèi)人員安全的另一個(gè)不可忽視的重要因素，工程上合理的空頂距還應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工中煤壁的穩(wěn)定情況確定安全系數(shù)。綜合考慮各項(xiàng)因素，如果安全系數(shù)定為1.3，則空頂距為6.8m；如果安全系數(shù)定為1.4，則空頂距為6.3m。總之，最終的空頂距應(yīng)當(dāng)在8.8米以內(nèi)根據(jù)巷道頂板及兩幫煤體的完整程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

湯靜］